独柱墩桥梁抗倾覆稳定性分析及加固设计

陈建华，熊志洪

（1.浙江省建筑设计研究院,浙江 杭州 310006;2.浙江省交通规划设计研究院,浙江 杭州 310000）

独柱墩桥梁抗倾覆稳定性分析及加固设计

陈建华1，熊志洪2

（1.浙江省建筑设计研究院,浙江 杭州 310006;2.浙江省交通规划设计研究院,浙江 杭州 310000）

近年来，独柱墩连续梁桥在超载和偏载情况下发生多起倾覆坍塌事故。结合工程实例，在原规范设计荷载基础上适当提高验算荷载，以验算在役独柱墩连续梁桥的抗倾覆稳定性，并有针对性地提出加固措施。

独柱墩桥梁；抗倾覆；加固设计

0 引言

独柱墩桥梁具有结构简单、外形美观、占用桥下空间小等多方面的优势和特点，在城市立交桥和高速公路匝道桥中得到了广泛应用。但由于独柱墩墩顶较窄，横桥向往往设置单支点支撑，在汽车偏心荷载作用下，独柱墩连续梁桥的横向抗倾覆稳定非常不利。近几年，这种结构形式的桥梁在超载和偏载情况下已发生多起倾覆事故。本文结合工程实例，在原规范设计荷载基础上适当提高验算荷载，以验算在役独柱墩连续梁桥的抗倾覆稳定性，并有针对性地提出加固措施[1-5]。

1 工程概况

某枢纽A匝道桥第二联为钢筋混凝土连续箱梁桥，配跨为16 m+4×19 m+15.57 m，桥宽8.5 m，位于半径R=55 m的曲线段，4、7、10号墩采用双柱式桥墩、双支座，其余桥墩采用独柱式桥墩、单支座；D匝道桥第一联为钢筋混凝土连续箱梁桥，配跨为4×20 m，桥宽8.0 m，位于半径R=280 m的曲线段，1、5号墩采用双柱式桥墩、双支座，其余桥墩采用独柱式桥墩、单支座；F匝道桥第一联为钢筋混凝土连续箱梁桥，配跨为19.527 m+4×20 m，桥宽8.25 m，位于半径R=60 m的曲线段，1、6号墩采用双柱式桥墩、双支座，其余桥墩采用独柱式桥墩、单支座。

2 验算荷载选取

对国内多起独柱墩连续梁桥坍塌事故进行分析，发现桥梁坍塌时，均有好几辆超载车同时行驶于桥梁一侧。针对这一交通现状，除了加强“治超”外，对桥梁进行抗倾覆稳定性验算时不能采用常规标准荷载。本次验算的汽车荷载分别采用浙江省公路管理局文件中规定的独柱墩抗倾覆验算汽车荷载的3种工况。

工况1：《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）规定的公路—Ⅰ级荷载。

工况2：1.3倍公路—Ⅰ级车道荷载。

计算支座反力时，均布荷载标准值qk应乘以1.3的系数，集中荷载标准值Pk应乘以1.3的系数进行计算，按实际的车道数进行加载。

工况3：重车（1.2倍标准荷载）自定义车辆荷载。

考虑车辆超载情况，按如下模拟车辆荷载车道：按1.2倍的规范55 t车辆荷载进行加载计算，车队纵向两车的前后轮轮距为10 m，按实际的车道数进行加载。

3 原结构验算

3.1 验算模型

由于验算重点在于各工况下支座反力情况，因此平面计算软件不适用，应采用空间杆系有限元软件。笔者选用国内较常用的桥梁软件Midas Civil分别对这3联独柱墩连续弯梁桥进行验算。具体模型见图1～图3。

图1 A匝道桥第二联计算模型

图2 D匝道桥第一联计算模型

图3 F匝道桥第一联计算模型

3.2 验算结果及分析

桥梁的横向稳定性计算包括支座脱空计算和抗倾覆系数计算。桥梁的倾覆过程是在汽车荷载作用下，单向受压支座依次脱空，由于边界条件失效而失去平衡的过程。桥梁的抗倾覆系数即抗倾覆力矩与倾覆力矩的比值，两者分别为成桥支反力和汽车活载对倾覆轴线的弯矩值。

（1）支座反力

按工况1～3活载条件进行计算，考虑桥梁恒载、整体升降温、局部温差、支座不均匀沉降等方面的影响，得到各荷载组合作用下各墩支座的最小反力，其中组合1、2、3分别表示包含工况1、2、3的最不利荷载组合，计算结果见表1～表3。

由表1知，A匝道桥第二联，在组合2作用下，4、10号墩的内侧支座出现了负反力；在组合3作用下，4、7、10号墩的内侧支座出现了负反力。由表2知，D匝道桥第一联，在组合3作用下，0号台和4号墩的内侧支座出现了负反力。由表3知，F匝道桥第一联，在组合1、2、3作用下，0号台和5号墩的内侧支座均出现了负反力。

（2）抗倾覆系数

沿最不利的倾覆轴线，A匝道桥第二联在组合1、2、3作用下的抗倾覆系数分别为 2.97、2.51、2.30；D匝道桥第一联在组合1、2、3作用下的抗倾覆系数分别为2.09、1.67、1.34；F匝道桥第一联在组合 1、2、3作用下的抗倾覆系数分别为 2.46、2.00、1.58。

表1 A匝道桥第二联各墩支座最小反力计算结果

表2 D匝道桥第一联各墩支座最小反力计算结果

表3 F匝道桥第一联各墩支座最小反力计算结果 kN

4 加固措施

4.1 加固方案

本次加固设计主要为提高桥梁的抗倾覆稳定性，采用增加支座的方式比较有效。A匝道桥第二联采用端横梁加宽的方式加固治理（见图4）：在端横梁处向横向两侧各加宽1.25 m，新增梁体下各设一个支座，新增支座与原有支座横向间距1.25 m。D匝道桥第一联采用新增独柱墩小盖梁的方式加固治理（见图5）：在独柱墩顶部横桥向各拼宽一个横桥向长1.25 m，竖向高1.4 m，纵桥向宽0.8 m的盖梁，两侧新增小盖梁上各设一个支座，新增支座与原支座横向间距1.25 m。F匝道桥第一联采用拼宽墩柱的方式加固治理（见图6）：处理后横向墩柱宽度为4.4 m，柱顶横向各增设一个支座，新增支座与原有支座横桥向间距为1.4 m。

图4 A匝道桥第二联加固方案

图5 D匝道桥第一联加固方案

图6 F匝道桥第一联加固方案

考虑到桥梁交通繁忙，抗倾覆加固施工时尽量保证桥梁正常运营，新增支座与原桥间采用粘钢调平层处理。因此新增支座不承受原桥恒载，仅承受桥梁活载，新增支座为只受压支座。

4.2 加固效果分析

经加固处理并增设支座后，A匝道桥第二联仅在组合3作用下，端支座出现支座负反力，其数值比加固前小得多；D匝道桥第一联和F匝道桥第一联在组合1、2、3作用下均未出现支座负反力；各桥沿最不利的倾覆轴线的倾覆系数也比加固前要大不少。从分析结果可知，在抗倾覆加固处理中，采用增设支座是比较有效果的。

（1）支座反力

考虑新增支座后，各桥的支反力详见表4～表6。

表4 A匝道桥第二联（加固后）各墩支座最小反力计算结果 kN

表5 D匝道桥第一联（加固后）各墩支座最小反力计算结果 kN

表6 F匝道桥第一联（加固后）各墩支座最小反力计算结果 kN

由表4知，端横梁加宽并增设支座后，A匝道桥第二联，在组合3作用下，4、7号墩的内侧支座出现了负反力，其4号墩内侧支座的负反力比加固前小得多。由表5知，独柱墩两侧新增小盖梁并加设支座后，D匝道桥第一联，在组合1、2、3作用下，墩台支座均未出现负反力。由表6知，墩柱拼宽并增设支座后，F匝道桥第一联，在组合1、2、3作用下，墩台支座均未出现负反力。

（2）抗倾覆系数

经加固处理并增设支座后，沿最不利的倾覆轴线，A匝道桥第二联在组合1、2、3作用下的抗倾覆系数分别为3.28、2.79、2.62；D匝道桥第一联在组合1、2、3作用下的抗倾覆系数分别为3.19、2.68、2.49；F匝道桥第一联在组合1、2、3作用下的抗倾覆系数分别为3.25、2.77、2.75。

5 结语

独柱墩连续梁桥具有较多优点，并在城市立交桥和高速公路匝道桥中得到了广泛应用。但由于独柱墩单支座的存在，这种桥型的横向抗倾覆稳定性较为不利。本文结合工程实例，对某枢纽现役的3联独柱墩连续梁桥进行了抗倾覆验算，并提出了相应的加固处理措施，可为同类工程的抗倾覆验算和加固处理提供借鉴。

[1]JTG D60-2004,公路桥涵设计通用规范[S].

[2]浙江省公路管理局.浙公路[2009]102号 关于开展营运公路独柱式桥墩桥梁稳定性验算复核工作的通知[Z].2009

[3]汪芳芳,徐祖恩,严伟飞.独柱墩桥梁抗倾覆安全分析及加固设计技术研究[J].浙江交通职业技术学院学报,2014,15(4):13-18

[4]许东风,吴连勋.独柱墩连续弯梁桥抗倾覆稳定性验算方法及加固措施[J].公路交通技术,2015(4):89-93.

[5]张海伟,严伟飞,史锦飞.独柱墩式连续梁桥抗倾覆分析及加固设计[J].浙江交通职业技术学院学报,2015,16(1):5-7.

U441

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1009-7716（2017）04-0084-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.025

2017-02-09

陈建华（1982-），男，浙江临海人，工程师，从事桥梁设计工作。